物理有機(jī)化學(xué)浙江大學(xué)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究方法

物理有機(jī)化學(xué)浙江大學(xué)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究方法第1頁/共81頁第5章

有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的研究方法

第2頁/共81頁對有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的了解,使有機(jī)化學(xué)成為一門系統(tǒng)性,理論化的科學(xué).所謂機(jī)理,就是反應(yīng)物通過化學(xué)反應(yīng)變成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全過程，實質(zhì)上，就是分子中所有原子作為時間函數(shù)的正確位置,就是分子結(jié)構(gòu)隨時間變化的描述.但這是一種理想狀態(tài),目前無法實現(xiàn).目前還沒有什么辦法來直接觀察分子間起反應(yīng)的實際過程．因為有機(jī)化學(xué)中所研究的分子的線性大小約為10－8cm,分子間起反應(yīng)實際所需時間約為10－12到10－14sec.，因此，目前還沒有什么辦法來直接觀察分子間起反應(yīng)的實際過程．關(guān)于有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的了解都是由間接的證明推理而來的.一個正確的機(jī)理必須與所有與此反應(yīng)有關(guān)的已知事實相符合.研究有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的方法可分為動力學(xué)方法和非動力學(xué)方法．

第3頁/共81頁§1、非動力學(xué)方法1.產(chǎn)物鑒定機(jī)理本身就是為說明產(chǎn)物是如何從起始物變來的,所以一個機(jī)理提出后,必須要能說明得到的全部產(chǎn)物以及它們之間的相互比例,包括付產(chǎn)物.例如上述兩反應(yīng)的產(chǎn)物不同,因此可以推斷其機(jī)理不同.第4頁/共81頁Sommelet反應(yīng)是又一個例子.Sommelet反應(yīng)是指芐鹵與六亞甲基四胺作用得醛.Sommelet提出的機(jī)理是但仔細(xì)檢驗反應(yīng)體系,沒發(fā)現(xiàn)有CH3NH2,所以上述機(jī)理就站不住.我們在做碳?xì)浠罨悸?lián)反應(yīng)時，也有一個從產(chǎn)物推斷反應(yīng)機(jī)理的例子，第5頁/共81頁當(dāng)在一個苯環(huán)上有取代基時，可以得到α-和γ-醚，但兩者的比例與取代基的性質(zhì)有關(guān)：因此提出了下列機(jī)理：第6頁/共81頁AdvancedSynthesis&Catalysis.2009,351(6),865-868.第7頁/共81頁2.中間產(chǎn)物的測定反應(yīng)機(jī)理本來就是要說明反應(yīng)物經(jīng)過什么途徑變成產(chǎn)物,如果能測定出中間體當(dāng)然對機(jī)理的說明很有幫助.分離出中間體例如，霍夫曼重排反應(yīng)中至少有三種中間體是很容易分離得到的，即N-溴代酰胺及其負(fù)離子和異氰酸酯．分離得到了RCONHBr,證明了反應(yīng)確實經(jīng)過這個中間體.第8頁/共81頁下列偶聯(lián)-關(guān)環(huán)反應(yīng)有兩步，哪一步先發(fā)生？我們分離到了中間體，Organic&BiomolecularChemistry,2009,7,4067–4073.

第9頁/共81頁b)捕獲中間體所猜測的中間體如能用某種試劑捕獲,對證明機(jī)理也起到作用了.1975年有人用2,2,6,6-四甲基氫化吡啶鋰使氯苯變?yōu)楸饺?用2,5-二甲基呋喃將形成的苯炔捕獲,證明了苯炔的形成.c)中間體的檢出如不能分離,也不能捕獲,也可以用檢測的辦法.現(xiàn)在可以用NMR,IR,Raman,順磁共振等光譜做反應(yīng)的實時檢測.甚至要求很高的無水無氧的金屬有機(jī)反應(yīng)也可以在核磁管中做.以前例如用Raman光譜檢出NO2+的存在,是苯硝化反應(yīng)中有此中間體的強有力的證明.第10頁/共81頁d)猜測中間體的驗證如果猜測的中間體能用其他方法得到,則用這中間體化合物在相同的反應(yīng)條件下應(yīng)得到同樣的產(chǎn)物.如果沒有得到同樣的產(chǎn)物,則所猜測的中間體是不正確的.但得到同樣產(chǎn)物并不意味著反應(yīng)機(jī)理就確信無疑,因為可能會是一種巧合.例如,中間體會不會是可以制備這個化合物,再在水中與PhCHO反應(yīng)來驗驗.加拿大的華人化學(xué)家陳德恒教授的研究小組后來用NMR和制備等方法證明中間體是一價銦化合物參見1999JACS3228,2000JACS402.第11頁/共81頁又如Von-Richter反應(yīng)如果鄰位被占據(jù),就不可能羧基化了.多年來一直認(rèn)為芳基腈是該反應(yīng)的中間體,腈再水解成羧酸.有人將對氯苯腈在正常的Richter反應(yīng)條件下水解確實得對氯苯甲酸.但后來有許多事實證明這種推測不對.例如在相同條件下用1-氰基萘進(jìn)行水解得不到1-萘甲酸,雖然在相同條件下2-硝基萘能得13%的1-萘甲酸.又發(fā)現(xiàn)有很多氮氣放出.第12頁/共81頁3.催化劑催化劑能加速或阻止一個反應(yīng)的進(jìn)行,可暗示其反應(yīng)機(jī)理.例如能被過氧化物加速的應(yīng)為自由基機(jī)理,被酸催化就可能是正離子中間體,被堿催化則可能有負(fù)離子中間體.4.同位素標(biāo)記同位素標(biāo)記常能提供非常有用的線索,利用同位素標(biāo)記可以發(fā)現(xiàn)許多通常條件下很難觀察到的現(xiàn)象.例如在下列反應(yīng)中,產(chǎn)物中的CN是否來自BrCN?可以用同位素標(biāo)記來解決這個問題.例如可以用Br14CN,也可以用R14COO-和BrCN反應(yīng),在后一種情況下,標(biāo)記原子14C是在R14CN中而不是在CO2中,同時,如果R為光學(xué)活性的基團(tuán)時,在反應(yīng)后構(gòu)型保持;并且在反應(yīng)混合物中離析出酰基異腈酸酯RCON=C=O,因此提出如下機(jī)理:第13頁/共81頁5.立體化學(xué)證據(jù)是常用的考驗和判別反應(yīng)機(jī)理的方法.6.交叉實驗在重排機(jī)理的驗證上經(jīng)常用到.第14頁/共81頁§2、動力學(xué)證據(jù)從動力學(xué)來研究反應(yīng)機(jī)理可以提供有關(guān)反應(yīng)過程的豐富資料.

動力學(xué)研究中很重要的一點是要選好一種測定濃度或者說測定速度的方法.1.反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)分子數(shù)對一步反應(yīng)來說,反應(yīng)級數(shù)的研究比較簡單.一級反應(yīng)的反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系為：積分得:若反應(yīng)開始時（t=0）的濃度為C0，代入上式求得積分常數(shù)B=lnC0，故(2)第15頁/共81頁(2)式指出一級反應(yīng)中反應(yīng)物的濃度隨時間的增加而線性地降低，若將各時間的反應(yīng)物濃度的對數(shù)對相應(yīng)時間t作圖，得一直線（見圖5－1），直線的斜率乘以2.303即為反應(yīng)速率常數(shù)k1(k1的單位為S－1）．典型的一級反應(yīng)是氯代叔丁烷在含有少量水的甲酸中的水解，其反應(yīng)速度僅與氯代叔丁烷的濃度成正比，而與水的濃度無關(guān)．一級反應(yīng)的另一例子是蔗糖的酸催化轉(zhuǎn)化．這個反應(yīng)的進(jìn)程可以用旋光儀跟蹤.第16頁/共81頁第17頁/共81頁凡反應(yīng)物濃度降低一半所需時間稱為半衰期．一級反應(yīng)的半衰期為半衰期與反應(yīng)速率常數(shù)成反比，但與濃度無關(guān)．(對一確定的反應(yīng),半衰期是個常數(shù)).在大多數(shù)情況下，一步反應(yīng)中的動力學(xué)級數(shù)與其分子數(shù)一致，在多步反應(yīng)中，動力學(xué)級數(shù)與決速步的分子數(shù)一致．但需注意，實測的反應(yīng)級數(shù)有時并不一定和實質(zhì)上進(jìn)行反應(yīng)的分子數(shù)相符合，如乙酸乙酯的水解為雙分子反應(yīng)．第18頁/共81頁但如在稀水溶液中進(jìn)行，則表現(xiàn)為一級反應(yīng)，因為稀溶液中水的濃度很大，可看成常數(shù)．很多有機(jī)反應(yīng)是二級反應(yīng).二級反應(yīng)的反應(yīng)速率與反應(yīng)中兩種反應(yīng)物濃度的乘積成正比．積分上式得如果開始反應(yīng)時（t=0）其濃度為C0，代入上式得到第19頁/共81頁則得如果兩種反應(yīng)物的起始濃度不相同（即C1≠C2），而是各為a和b，則積分后得第20頁/共81頁典型的二級反應(yīng)是伯鹵代烷在稀的醇水溶液中的堿性水解(SN2)第21頁/共81頁在溶液中進(jìn)行的有機(jī)反應(yīng)多半屬于二級反應(yīng)，如丙酮的溴化反應(yīng)．從實驗知道，反應(yīng)速率與溴的濃度無關(guān)，而與丙酮的濃度成正比，加堿能使反應(yīng)速率加快，且反應(yīng)速率與堿的濃度成正比，從而估計該反應(yīng)的機(jī)理如下．其實這個反應(yīng)理解成烯醇式機(jī)理更合理.第22頁/共81頁又如二級反應(yīng)的半衰期不是常數(shù)溶液中也有三級反應(yīng),例如著名的安息香縮合第23頁/共81頁2.串連反應(yīng)所謂連串反應(yīng)，前一步生成的產(chǎn)物是下一步反應(yīng)的反應(yīng)物

如果速率常數(shù)k和k’值很接近，則這樣的反應(yīng)序列在數(shù)學(xué)處理上很困難，幸虧這種情況很少．如果k比k’大得多，而且A轉(zhuǎn)移到B基本上是不可逆的，則在短時間內(nèi)形成了大量的B，后者再緩慢地變到C．因此，B一般是可以分離得到的，這個反應(yīng)實際上可以分為兩個獨立的反應(yīng)來研究．然而，在這樣的反應(yīng)序列中，第一步經(jīng)常是快的而且是可逆的，從A迅速形成了B的平衡濃度．而當(dāng)B慢慢消耗掉生成C時，A—B平衡移動，產(chǎn)生更多的B.上述的安息香縮合就可以認(rèn)為是以這樣的方式進(jìn)行的．第24頁/共81頁消去氰醇的濃度，得到三級反應(yīng)的動力學(xué)關(guān)系式為第25頁/共81頁氯乙醇與堿反應(yīng)生成環(huán)氧乙烷也按下列步驟進(jìn)行．另一方面，如果反應(yīng)的第一步是慢的，而后續(xù)步驟是快的，則反應(yīng)的總速率一般取決于慢的一步．例如，叔鹵代烷取代反應(yīng)的第一步是緩慢的電離，然后，碳正離子與溶液中的親核試劑迅速結(jié)合．如果慢的電離步驟基本上是不可逆的，則取代反應(yīng)對氯代烷為一級，而與親核試劑的種類和濃度無關(guān)，上述三個不同的取代反應(yīng)將以很接近的速率進(jìn)行．第26頁/共81頁同樣，在硝基甲烷中，用過量的硝酸，苯、甲苯、對二甲苯和對氯苯甲醚的硝化速率是相同的，因為硝化反應(yīng)機(jī)理包括下列步驟反應(yīng)的總速率應(yīng)該等于硝酸的共軛酸電離生成硝基正離子這一步的速率．第27頁/共81頁反應(yīng)速率僅僅與［HNO3]成正比．當(dāng)硝酸大大過量時，硝化速率很接近于常數(shù)（零級反應(yīng)）．但是對于較不活潑的芳香族化合物如氯苯和苯甲酸乙酯，則動力學(xué)的關(guān)系改變了，即（iii）步變得慢了，成為決速步．因為該步包含ArH，所以這些化合物的硝化反應(yīng)，對芳香族化合物而言為一級．另一種動力學(xué)情況為：第一步是慢的、可逆的，而第二步是快的，如二苯甲基氯在丙酮水溶液中的水解．二苯甲基氯緩慢電離（速率常數(shù)k2）為二苯甲基正離子，后者可以再返回為原料（速率常數(shù)為kr）或與水作用生成二苯甲醇（速率常數(shù)k1）．因此，反應(yīng)是Cl－和H2O之間對于二苯甲基正離子的競爭，總的反應(yīng)不僅取決于慢的一步的速率，也取決于H2O對Cl－的競爭效率．第28頁/共81頁對于這樣的反應(yīng)體系，用動力學(xué)方法來嚴(yán)格處理雖是可能的，但又是困難的，一般常用近似方法即穩(wěn)態(tài)近似法．在考慮二苯甲基氯水解時，首先可假定在反應(yīng)過程中二苯甲基正離子的濃度無明顯改變，那么二苯甲基正離子的生成速率應(yīng)該等于其消耗速率．水的濃度在反應(yīng)中幾乎保持為一常數(shù)而結(jié)合到k’中，總的反應(yīng)速率實際上為二苯甲基正離子與水生成二苯甲醇的速率．[Ph2CH+]可以從（a）式推出:(a)(b)第29頁/共81頁代入(b)式得此式表明，當(dāng)k’＞kfkr時，即反應(yīng)不可逆時，為一級反應(yīng)；當(dāng)k’kr時，即第一步是可逆的，則反應(yīng)剛開始時由于［Cl－］還小,仍為一級反應(yīng)，但在反應(yīng)的后階段，由于［Cl－］增加，則kr［Cl－］／k’項不能忽略，即偏離了一級反應(yīng)，這就是二苯甲基氯水解的實際情況．從上式也可以看出，當(dāng)外界加入相同的Cl－時，可使總速率減小，此即同離子效應(yīng)．若外界加入不相同離子，則反應(yīng)速率不減小，但是所得到的產(chǎn)物為混合物．第30頁/共81頁3.平行反應(yīng)平行反應(yīng)能以多于一種的途徑進(jìn)行反應(yīng)而得到不同的產(chǎn)物．這樣的反應(yīng)也稱為競爭反應(yīng),它們是同時地、獨立地發(fā)生的．例如，A以兩個獨立的步驟反應(yīng)而產(chǎn)生B和C．對于這樣的平行反應(yīng)，其反應(yīng)速率可表示為如果k=k1+k2，則得第31頁/共81頁將上式積分，并以［A］表示A的濃度則得到從上式可得:從產(chǎn)物生成速度可得:第32頁/共81頁若反應(yīng)開始時B和C的濃度為零，將上式積分，得到上式為產(chǎn)物的濃度與時間的關(guān)系式，兩式相比，得到因此，在任何時間測得產(chǎn)物B及C的濃度，均有一定的比值，也可以用此法來鑒別一個反應(yīng)是否是平行反應(yīng).第33頁/共81頁通常討論競爭反應(yīng)時往往拿登健諾夫重排為例子:下列反應(yīng)在硝酸過量的情況下對氯苯是一級反應(yīng),三個異構(gòu)體的濃度比就是相應(yīng)的速度常數(shù)比.

第34頁/共81頁4.過渡態(tài)理論從動力學(xué)來理解反應(yīng)過程，主要有兩種理論：碰撞理論和過渡態(tài)理論．碰撞理論認(rèn)為，分子間的反應(yīng)產(chǎn)生于活化分子間的碰撞．此式表明，速率常數(shù)k是溫度T、單位濃度時分子碰撞頻率z、概率因素p及活化能E的函數(shù)．此式反映了反應(yīng)速率隨溫度呈指數(shù)上升的關(guān)系．但是碰撞理論假定兩分子的碰撞像兩個鋼球的碰撞，而且不能滿意地解釋概率因素，所以不能說明真正的反應(yīng)機(jī)理，因此后來在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立了過渡態(tài)理論．熱化學(xué)研究證明，有機(jī)化合物的反應(yīng)活化能在大多數(shù)情況下低于其離解能，所以有機(jī)反應(yīng)的進(jìn)行存在著另一種途徑的可能性．過渡態(tài)理論是從分析反應(yīng)體系的能量出發(fā)的．對于最簡單的雙原子分子與原子的反應(yīng)第35頁/共81頁反應(yīng)過程不是先打開B－C鍵，而是A逐漸與B接近，同時C逐漸與B離開，形成[A…B…C]過渡態(tài)（活化絡(luò)合物），然后再排出C而完成反應(yīng)．當(dāng)A與B－C作用時，可能有不同的碰撞方式，但只有A從B的一邊沿著B—C分子軸方向靠近時，在能量上才是最有利的（即生成線形活化絡(luò)合物），才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)．當(dāng)A向BC靠近時，由于核間及電子間的斥力需要消耗能量，而B—C鍵的拉長需消耗更多的能量，所以當(dāng)達(dá)到過渡態(tài)（r1=r2）時，相當(dāng)于反應(yīng)過程中能量曲線的最高點；然后，A與B進(jìn)一步接近成共價鍵而B—C鍵終于斷裂，由于新鍵的形成放出能量使體系的能量降低．過渡態(tài)理論說明了為什么有機(jī)反應(yīng)的活化能比打開B—C鍵所需的鍵能小得多．第36頁/共81頁在下圖中，自由能是作為反應(yīng)進(jìn)程的函數(shù)來表示的，ΔG相當(dāng)于反應(yīng)熱，為正反應(yīng)的活化自由能，而為逆反應(yīng)的活化自由能．應(yīng)當(dāng)指出，過渡態(tài)相當(dāng)于反應(yīng)進(jìn)程中能量的最高點，不能看成中間體．任何中間體即使是最不穩(wěn)定的，也都對應(yīng)于相對的最低能態(tài)，為了從中間體過渡到最終狀態(tài)，尚需克服一個能壘(即第二過渡狀態(tài)).第37頁/共81頁第38頁/共81頁概率因素p的大小取決于反應(yīng)的活化熵．活化熵可以從實驗測定，也可以從理論上計算得到，從活化熵可以進(jìn)一步求出概率因素．一個過程的自由度的變化會反映在它的熵變上．在反應(yīng)過程中，如果過渡態(tài)比反應(yīng)物分子有更大的自由度，或者對分子的轉(zhuǎn)動和振動有更弱的限制力時，都會使熵值增大，活化熵大于零．例如，在形成過渡態(tài)時，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的破壞，溶劑化程度的降低或由剛性結(jié)構(gòu)變成較為松弛的結(jié)構(gòu)，活化熵都為正值，反之則為負(fù)值．所以，活化熵ΔS≠與空間效應(yīng)有關(guān)，如在SN2反應(yīng)中，較擁擠的過渡態(tài)限制了其中原子(團(tuán))運動的自由度，其熵值降低，即ΔS≠為負(fù)值．當(dāng)R=H時，ΔS≠=－39.77J·K－1，但當(dāng)R=(CH3)3C-時，ΔS≠=－83．32J·K－1，這是因為后者使其過渡態(tài)更為擁擠．

第39頁/共81頁另一方面，叔鹵代烷在水中電離的活化熵為正值．

在一個系列的反應(yīng)中，活化熵的改變是較易解釋的，如2，6－二取代的吡啶與碘甲烷的反應(yīng)

第40頁/共81頁可見，活化滴的改變（Δ(ΔS≠)）反映了該系列反應(yīng)中空間阻礙的增減．

第41頁/共81頁同時，活化焓的數(shù)值反映了鍵能的改變、電子效應(yīng)及溶劑化能的改變等．例如，酯的皂化反應(yīng)的活化能相對來說比較低，約46.05kJ·mol－1．在此反應(yīng)中，雖然打斷一個相當(dāng)強的C－O鍵，但由于HO－在－OR基斷開前就能完全結(jié)合到羰基上去而生成一個負(fù)離子，C—OH新鍵先生成，這使反應(yīng)體系先得到一些能量，從而可以抵消C—OR鍵斷裂時所需的一部分能量．用活化熵可以說明為什么有些反應(yīng)的活化能（或活化焓）很相近，但它們的反應(yīng)速率卻相差很大．例如在常溫下的水溶液中，甲酸甲酯和乙酸乙酯的堿性水解反應(yīng)的活化焓幾乎相等，但前者的反應(yīng)速率卻比后者快幾百倍，這主要是由于它們的活化熵不同．第42頁/共81頁羰基化合物的結(jié)構(gòu)與它們的縮氨脲生成反應(yīng)速率間的關(guān)系是較為復(fù)雜的，一些反應(yīng)的活化焓和活化熵都已測定．3,3-二甲基-2-丁酮的反應(yīng)速率大約僅是丙酮的1／80，主要是因為其ΔS≠小于丙酮的ΔS≠，即由于過渡態(tài)的空間阻礙．第43頁/共81頁環(huán)己酮的反應(yīng)速率大，因環(huán)己酮分子中有一個碳原子是sp2雜化的，是不穩(wěn)定的椅式構(gòu)象，而在過渡態(tài)中卻轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的環(huán)己烷椅式構(gòu)象，位能降低，這表明其ΔH≠很小，而其ΔS≠也與丙酮的接近．糠醛的反應(yīng)速率較小是由于其共軛體系在過渡態(tài)中部分地被破壞了，所以使位能增高．從表可以看出，有些反應(yīng)的活化焓差別很大，但由于它們的活化熵差別也很大，從而使它們的反應(yīng)速率在相同的條件下仍然很接近．有些反應(yīng)的活化焓雖差別較小，但它們的活化自由能卻差別較大，所以它們的反應(yīng)速率還是有顯著的不同．由此可見，一個反應(yīng)的反應(yīng)速率取決于它的活化自由能（ΔG≠）．第44頁/共81頁過渡態(tài)的壽命接近于零，過渡態(tài)不能從實驗直接觀察．對于其結(jié)構(gòu)和幾何形狀只能作一些推測，在某些情況下推理是有充分根據(jù)的，如在下列SN2反應(yīng)中在這個反應(yīng)中，產(chǎn)物和反應(yīng)物是等同的，因此過渡態(tài)應(yīng)該是完全對稱的．但在大多數(shù)情況下，要求助于哈蒙德假說．哈蒙德認(rèn)為：對于任何一個一步反應(yīng)，過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)與自由能較接近的分子（反應(yīng)物或產(chǎn)物）近似，因此，在放熱反應(yīng)中，過渡態(tài)的能量與反應(yīng)物更接近，它的結(jié)構(gòu)也應(yīng)與反應(yīng)物接近；在吸熱反應(yīng)中，過渡態(tài)的能量和結(jié)構(gòu)則與產(chǎn)物相近．例如，在鹵素原子奪取烷烴氫的反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)氯原子比溴原子活潑，而后者選擇性高，這是因為溴原子奪取烷烴的氫是吸熱反應(yīng)，它的過渡態(tài)像產(chǎn)物，即烷基自由基的相對穩(wěn)定性直接決定了過渡態(tài)的穩(wěn)定性．但氯原子奪取烷烴的氫是放熱反應(yīng)，它的過渡態(tài)較接近于反應(yīng)物.第45頁/共81頁如果在含有一個很活潑中間體的兩步反應(yīng)中，第一個過渡態(tài)在能量上應(yīng)該是更接近于中間體而不是反應(yīng)物，第二個過渡態(tài)也是更接近中間體而不是產(chǎn)物（見圖5－4），即兩個過渡態(tài)都像活性中間體．因此，反應(yīng)進(jìn)行的難易就決定于各中間體的相對穩(wěn)定性．第46頁/共81頁5.動力學(xué)同位素效應(yīng)探索反應(yīng)機(jī)理或過渡態(tài)結(jié)構(gòu)的最有用技術(shù)之一是動力學(xué)同位素效應(yīng)實驗．當(dāng)反應(yīng)直接涉及同位素鍵的變動時，反應(yīng)速率所受的影響稱為初級動力學(xué)同位素效應(yīng)．1）初級動力學(xué)同位素效應(yīng)當(dāng)一個反應(yīng)進(jìn)行時，在決定反應(yīng)速率的步驟中發(fā)生了反應(yīng)物分子的同位素鍵的斷裂，將顯示初級動力學(xué)同位素效應(yīng)．最常見的是，反應(yīng)物分子中的氫被氘取代后，反應(yīng)時有速率上的變化，這種變化稱為氘同位素效應(yīng)，用kH/kD表示．這說明在異丙醇氧化反應(yīng)中，C－H鍵的斷裂是決速步，其反應(yīng)機(jī)理如下．第47頁/共81頁第48頁/共81頁堿作用下E2反應(yīng)呈明顯的氘同位素效應(yīng)，說明在過渡態(tài)中C－H鍵幾乎完全斷裂．另一方面，在大部分芳香族親電取代反應(yīng)中，不存在這樣的同位素效應(yīng)，說明苯環(huán)上的氫不是在決速步中失去的．第49頁/共81頁產(chǎn)生初級動力學(xué)同位素效應(yīng)的主要原因是，較重的同位素使零點振動能較低．分子的振動是量子化的，它具有一定的振動能級，其能量為雙原子分子的振動能級式中V為振動量子數(shù)，V=0，1，2，…；v為振動頻率；h為普朗克常數(shù)．振動能級的一個重要特點是最低能級的能量比勢能曲線最低值高1/2hv，即當(dāng)振動量子數(shù)V=0時，零點能E0=1/2hv．下圖表示雙原子分子A－B的振動能級．實際上，即使在室溫下，大部分的分子（約99％）是處于V=0振動能級.第50頁/共81頁雙原子分子的振動能級即不同同位素如R－H和R－D其零點能是不同的.第51頁/共81頁打斷A—B鍵所需要的能量，與零點能有關(guān)．另一方面，零點振動能與力常數(shù)k及折合質(zhì)量μ之間的關(guān)系可用下式表示折合質(zhì)量μ=mAmB/(mA+mB),因此，質(zhì)量愈大，振動頻率愈低，零點能E0也愈低．應(yīng)該指出，作為一種近似，同位素的取代并不改變勢能面，因此當(dāng)分子中H變?yōu)镈時，電子結(jié)構(gòu)不變，全部結(jié)合力也都相同，即力常數(shù)必不變，而A－H和A－D的E0值差別全可歸因于質(zhì)量上的改變．

第52頁/共81頁因為在紅外光譜中C－H的伸縮振動在3000cm－l左右，而C－D的伸縮振動為2200cm－l,則零點能的差ΔE0為(3000－2200)／2cm－l，即為400cm－l，大約相當(dāng)于4.81kJ·mol－l(1000cm－l相當(dāng)于11.97kJ·mol－l)．這意味著打斷一個C－D鍵要比打斷一個C－H鍵更難.所示的是一種極端情況，它顯示最大的同位素效應(yīng)．因此，若假定沒有其他的效應(yīng)，則可以用阿倫尼烏斯公式來計算打斷一個C—H鍵的同位素效應(yīng)（kH／kD）的極大值

第53頁/共81頁最大的同位素效應(yīng)若假定沒有其他的效應(yīng)，則可以用阿倫尼烏斯公式來計算打斷一個C－H鍵的同位素效應(yīng)（kH／kD）的極大值EaD－EaH的差值從IR譜中得到,約為1.15千卡/mol,假如在300K,則這里忽略了連接在碳原子上的其他基團(tuán)以及彎曲振動的影響，也未考慮分子其余部分振動頻率的影響,是一個粗略的計算.第54頁/共81頁初級動力學(xué)同位素效應(yīng)的極大值實際測得的很可能是中等大小的同位素效應(yīng),因為同位素效應(yīng)的大小是隨著過渡態(tài)中鍵斷裂程度的不同而不同的,其原因可以下列方式討論第55頁/共81頁對于一個三中心的過渡態(tài)，可以處理為一個線形體系．過渡態(tài)中如果B與A和C等同地相連接，即A－B和B－C的力常數(shù)相等，這時的對稱伸縮振動將不涉及B的運動，因此與B的質(zhì)量無關(guān)．用同位素B’來取代B將不影響過渡態(tài)的零點能，同位素效應(yīng)將取決于反應(yīng)物A－H和A－D之間的零點能差值，所以，當(dāng)同位素鍵在過渡態(tài)中完全打斷，或同位素的位置處于線形對稱的過渡態(tài)中，初級動力學(xué)同位素效應(yīng)顯示極大值．如果同位素的位置在過渡態(tài)中不對稱，即A－B和B－C的力常數(shù)不相等，則B的質(zhì)量在決定振動的零點能時是重要的，此時同位素效應(yīng)(kH/kD)將變小．在極端情況下，即力常數(shù)相差很大時，AHC和ADC的對稱伸縮振動的零點能之差可等于AH和AD之間的差，而動力學(xué)同位素效應(yīng)將消失，

第56頁/共81頁在對稱的過渡態(tài)中，分子間同位素效應(yīng)的起因在不對稱過渡態(tài)中．分子間動力學(xué)同位素效應(yīng)消失的原因第57頁/共81頁初級動力學(xué)同位素效應(yīng)的典型值表中前兩個反應(yīng)的活性位置為或不含氘的、或完全氘代的，因此kH/kD比值是兩個不同反應(yīng)物的反應(yīng)速率之比．第58頁/共81頁因為用了不同的反應(yīng)物，這個效應(yīng)稱為分子間的同位素效應(yīng)．表中的后兩個反應(yīng)是發(fā)生在既含有氫又含有等同位置氘的同一反應(yīng)物上,即在兩個位置上選擇性地進(jìn)行反應(yīng)（由于H和D原子的數(shù)目不同，kH/kD比值須經(jīng)過概率上的校正），稱為分子內(nèi)的同位素效應(yīng)．第59頁/共81頁分子內(nèi)的動力學(xué)同位素效應(yīng)的起因，不同于分子間的動力學(xué)同位素效應(yīng)，前者沒有反應(yīng)物之間的零點能差（因只有一個反應(yīng)物），但是有兩種不同的過渡態(tài)．導(dǎo)致了它們之間零點能的差別，從而成為分子內(nèi)動力學(xué)同位素效應(yīng)的主要原由.第60頁/共81頁在初級動力學(xué)同位素的基礎(chǔ)上，可以判別反應(yīng)機(jī)理．例如，E2與E1機(jī)理有如下差別．第61頁/共81頁氘同位素效應(yīng)可用于推測過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)而作為哈蒙德假說的補充．例如，對某些質(zhì)子的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，若過渡態(tài)中的氫原子等同地與兩邊兩個原子相連時（即對稱的過渡態(tài)），將具有同位素效應(yīng)的極大值，如硝基乙烷在氨中的電離．如果用較強或較弱的堿，則將生成較不對稱的過渡態(tài)，即相應(yīng)地生成更像產(chǎn)物的后期過渡態(tài)或更像反應(yīng)物的早期過渡態(tài)，而kH/kD都較?。?2頁/共81頁由于其他元素的同位素在質(zhì)量上的差別小得多，效應(yīng)也小得多．所以氘同位素效應(yīng)是最重要的.但是其他元素的同位素效應(yīng)也有用．例如偶氮化合物分解顯示氮同位素效應(yīng)．在霍夫曼消去反應(yīng)中（E2），測得同樣的值．第63頁/共81頁在強酸溶液中，噢-l-甲酸的脫羧反應(yīng)顯示碳同位素效應(yīng)，確證了C－C鍵斷裂發(fā)生在慢的一步．反應(yīng)大概包含快的預(yù)先平衡．第64頁/共81頁2）次級動力學(xué)同位素效應(yīng)如果一個反應(yīng)的反應(yīng)速率受同位素的影響，但并不涉及同位素鍵的直接生成或斷裂，稱為次級動力學(xué)同位素效應(yīng)．這種效應(yīng)要比初級動力學(xué)同位素效應(yīng)小，并主要表現(xiàn)為在α-H或β-H被同位素取代的時候．可測出的一般只有氫同位素．α-同位素效應(yīng)產(chǎn)生α-次級同位素效應(yīng)的主要原因是當(dāng)同位素取代后，面外彎曲振動在過渡態(tài)和基態(tài)所受的影響不同，亦即自由度有微小的不同變化．而自由度的任何改變都將導(dǎo)致零點能的改變，而零點能的變化就是引起同位素效應(yīng)的根源．第65頁/共81頁Acommonlyobservedsecondaryisotopeeffectoccurswhendeuteriumsubstitutionismadeatacarbonthatchangeshybridization,asinthefollowing:第66頁/共81頁為什么會有α-同位素效應(yīng)?從sp3變成sp2時,對同樣的C－

H,不同種類的振動頻率有不同的改變:第67頁/共81頁Streitwieser等人認(rèn)為,從sp3變到sp2,面外彎曲振動的頻率有很大的改變(1340cm－1－800cm－1).當(dāng)氘取代了氫時,這個振動零點能的不同改變是觀察到α-同位素效應(yīng)的主要起因.面外彎曲振動受離去基團(tuán)的阻礙面外彎曲振動受進(jìn)入基團(tuán)和離去基團(tuán)的阻礙α-同位素效應(yīng)的大小可用于區(qū)別SN1和SN2反應(yīng)．SNl反應(yīng)一般顯示出較大的α-同位素效應(yīng)（kH／kD=1.08～1.25），SN2則導(dǎo)致較低的α-氘同位素效應(yīng)（0.95－1.06），其中某些甚至是反同位素效應(yīng)（kH／kD<1）因為在SN2反應(yīng)中,分子的前面有離去基,背后有親核試劑,面外彎曲振動受阻的結(jié)果.第68頁/共81頁溶劑解反應(yīng)的α-同位素效應(yīng)：

第69頁/共81頁3）溶劑同位素效應(yīng)當(dāng)溶劑從H2O改變?yōu)镈2O或從ROH改變?yōu)镽OD時，反應(yīng)速率隨之發(fā)生變化，這稱為溶劑同位素效應(yīng)．由于H2O和D2O的質(zhì)子自遞反應(yīng)顯示同位素效應(yīng)KH／KD=6.5，這就意味著H2O比D2O更易電離,即[H3O+]>[D3O+].D3O+是一個比H3O+更強的酸，

另一方面從下表可見,弱酸在H2O中的電離度比在D2O中大.第70頁/共81頁這說明H2O的堿性大.這也是對的,因為H2O的電離度大就意味著接受質(zhì)子的能力大于D2O.所以質(zhì)子化反應(yīng)物在D2O中的濃度將比在H2O中大,所以那些受質(zhì)子酸催化的反應(yīng)在氘代溶劑中的速度將比在水中快.第71頁/共81頁當(dāng)然,如果有初級動力學(xué)同位素效應(yīng)摻乎在反應(yīng)中,那么總的同位素效應(yīng)就要看兩者相抵銷的結(jié)果了,第72頁/共81頁例如葡萄糖在水中的酸催化變旋作用，由于慢的一步中C－1將失去羥基的質(zhì)子，而所有羥基的質(zhì)子與D2O中的D＋交換得很